機車構(gòu)架側(cè)梁焊接數(shù)值仿真與變形控制.pdf

1、構(gòu)架是機車車輛的重要承載部件，其側(cè)梁的焊接殘余變形是影響構(gòu)架生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，定量地預(yù)測焊接變形規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)最優(yōu)控制，不僅對構(gòu)架，而且對其它焊接構(gòu)件的完整性設(shè)計和制造工藝方法的選擇以及運行中的安全評定具有重要的理論價值與工程意義。
　　本文首先利用熱彈塑性耦合法和固有應(yīng)變法分別對側(cè)梁模型進(jìn)行了焊接數(shù)值仿真，并與實驗測量結(jié)果進(jìn)行了對比驗證；在此基礎(chǔ)上對控制焊接變形的工藝參數(shù)進(jìn)行了一系列深入研究，得到最優(yōu)的焊接工藝控

2、制參數(shù)。本文的研究工作及研究成果主要有：
　　1.修正了固有應(yīng)變法。以T形焊接接頭為算例，結(jié)合熱彈塑性有限元法和映射應(yīng)變分量法研究角焊縫角變形的產(chǎn)生機制，認(rèn)為固有剪切應(yīng)變才是產(chǎn)生角變形的主要根源。以此觀點為基礎(chǔ)，通過數(shù)值仿真和實驗，對比分析了兩種不同的加載方位對橫向約束度、橫向固有應(yīng)變及殘余角變形的影響，研究結(jié)果表明沿焊縫表面斜向加載更接近于實際測量值和熱彈塑性模擬值。
　　2.建立側(cè)梁三維數(shù)值分析模型，根據(jù)實際焊接參數(shù)、焊

3、接順序?qū)?shù)值模型進(jìn)行加載計算，得到整個焊接過程的瞬態(tài)溫度場；然后以此溫度場為基礎(chǔ)，對側(cè)梁分別進(jìn)行了熱彈塑性耦合數(shù)值分析和基于固有應(yīng)變法的焊接殘余變形分析，這兩種仿真值與測量值對比表明外部4條縱向焊縫是造成側(cè)梁焊接殘余變形的主要因素，且三者變形規(guī)律基本吻合，熱彈塑性數(shù)值仿真結(jié)果與測量值間的誤差較小，在10％以內(nèi)。
　　3.以熱彈塑性仿真模型為基礎(chǔ)，優(yōu)化分析了外部4條縱向焊縫的焊接順序與方向?qū)附幼冃蔚挠绊懸?guī)律。為了能夠?qū)附禹樞蚝头?/p>

4、向這樣的“非變量”進(jìn)行優(yōu)化分析，借鑒C語言編程中指針和堆棧的概念，生成所有的排序組合，通過對指針變量的分析實現(xiàn)對焊接順序和方向的優(yōu)化。
　　4.提取以指針變量為基礎(chǔ)所得到的優(yōu)化分析結(jié)果中的可行方案，利用正交試驗法，形成四因素三水平的正交試驗表。通過正交試驗分析，得出各因素對焊接殘余變形影響的主次順序和最優(yōu)方案。研究結(jié)果表明打底層和蓋面層的焊接順序在焊接變形中起重要作用，為主要因素。對于立彎和旁彎分別得到不同的“最優(yōu)”方案，綜合分析

5、后確定了一個最優(yōu)方案，優(yōu)化后側(cè)梁的立彎降低18.9％，旁彎降低9.5％。
　　5.由于側(cè)梁非嚴(yán)格對稱，且外部4條主焊縫環(huán)繞在縱向中性軸(X軸)的四個角點；焊縫金屬收縮是形成焊接殘余變形的主要因素。因此提出了每條主焊縫焊接時的反變形面壓力大小及方向都互不相同的逐一反變形法。通過綜合分析、評估，確定了最優(yōu)方案，其立彎量為+4.87mm，與無反變形壓力時的立彎量+6.18mm相比，降低了21％；其旁彎量為+10.34mm，與無反變形壓力

6、時的旁彎量-10.78mm相比，除量值有所降低外，彎曲方向也發(fā)生了改變，與內(nèi)部焊縫的焊接殘余變形方向相反。
　　6.以平板對接焊為例，對動態(tài)溫差拉伸法(DC-LSND法)作用下的焊接變形進(jìn)行了數(shù)值分析，并與實驗對比，結(jié)果表明實驗與數(shù)值仿真結(jié)果較吻合，通過此工藝能夠得到低應(yīng)力小變形的焊接效果。
　　7.熱沉強度h及熱沉熱源距離L是影響焊接應(yīng)力和變形控制效果的主要參數(shù)，以T形單斜坡口焊接梁為例，通過優(yōu)化分析得到最優(yōu)的h、L值，與

7、常規(guī)焊相比，其Y向位移降低了43.7％，Z向位移降低了47.0％。通過對比正交試驗表中的極差值表明熱沉強度h在DC-LSND焊中起主要作用，而熱沉熱源距離L為次要因素。經(jīng)分析計算，分別得到位移值δ和μ(分別為橫向和垂向)隨熱沉參數(shù)h、L的變化曲線，由此推薦熱沉強度h的最佳取值范圍為[0.004，0.2]W/mm2K，熱沉熱源距離L的最佳取值范圍為[15，30]mm。
　　8.為進(jìn)一步控制側(cè)梁的焊接殘余變形，本文研究了焊接方向，順序